Question

小明想探究白炽灯的发光效率η（η为光能与消耗电能的比值）．他找来了一个无色透明玻璃鱼缸、一只额定功率为P的家用白炽灯泡、一张无色透明耐高温塑料纸．他先在鱼缸中放入质量为m的水，用塑料纸包住灯泡和电线，然后把包裹塑料纸的灯泡浸没在水中（如图所示），点亮电灯，使灯泡正常发光．请回答下列问题：
（1）白炽灯泡发光时可将电能转化为哪些能量？
（2）要完成这次探究需要哪些测量工具？
（3）写出所要测量的物理量（用符号表示），并写出白炽灯发光效率的表达式．
（4）小英同学看了小明的方案后，觉得基本可行，但也有一些不足．请你说出其中的一个不足之处．小明根据上述实验方案测出的白炽灯的发光效率，比白炽灯实际的发光效率是偏高还是偏低？

Answer 1

【答案】分析：（1）灯泡在工作时，既发光又发热，由此可以确定其工作过程中的能量转化．
（2）效率就等于有效利用的能量（光能）和消耗的总能量（电能）的比值．而有效利用的能量可以利用总能量减去损耗掉的能量（水吸收的热量）来求得．
根据灯泡消耗的电能的计算公式：W_总=Pt可知，在P已知的前提下，要求总能量首先要测定工作时间；
根据热量的计算公式：Q=cm（t₁-t）可知，在c、m都已知的前提下，要求得水吸收的热量Q，还需要测量水温度的变化，由此入手可以确定需要的测量工具．
（3）在第二问的基础上，进而可以得到其能量转化效率的表达式．
（4）灯泡产生的热量，并没有全部被水吸收，还要损失一部分热量，这是造成测量不准确的主要原因．
解答：解：（1）灯泡在工作时，发光将部分电能转化成了光能，同时还发热又将一部分电能转换成了内能．
（2）在此过程中，电能转化成了光能和内能．转化成的光能是有效利用的能量，无法直接求得，可以利用总能量减去损耗的能量求得．
消耗的电能是总能量要利用公式W_总=Pt，即灯泡的功率和工作时间的乘积来求得．因此需要停表来测量灯泡的工作时间．
灯泡损耗的能量即水吸收的热量可以利用公式：Q=cm（t₁-t）求得，要测量水吸收的热量，就需要测量水温度的变化（初温和末温），所以要用到温度计．
（3）用停表测得白炽灯加热水的时间t；用温度计测得水的初温t 和末温t₁；
灯泡消耗的总能量：W_总=Pt，
灯泡损耗的能量：Q=cm（t₁-t）；
有效利用的能量光能：W_光=W_总-Q=Pt-cm（t₁-t）；
灯泡的发光效率：η==．
（4）在实际的实验过程中，水吸收的热量只是灯泡产生热量的一部分，其中还有一部分热量散失到空气中，塑料袋、鱼缸也要吸收热量，这样减去的损耗的能量值就偏小，导致了效率偏大．
答：（1）白炽灯泡发光时可将电能转化光能和内能；
（2）要完成这次探究需要温度计和停表；
（3）所要测量的物理量有：白炽灯加热水的时间t； 水的初温t 和末温t₁；
 白炽灯发光效率的表达式：η=
（4）①玻璃鱼缸是敞开的，在测量过程中有部分热量散失到空气中；比白炽灯实际的发光效率是偏高．
点评：明确此过程中的能量转化是解决此题的入手点，如何表示灯泡发光时有效利用的能量（光能）是解决此题的关键．
通过计算能量的公式涉及的物理量，来确定需要的测量工具．